金屬密封耐磨全焊接球閥是近年來技術發展最快的一類閥，現代煤化工由于工況及工藝介質的特殊性，嚴格要求金屬硬密封全焊接球閥的密封性能，閥座密封等級要達到美國流體控制學會ANSI/FCI70－2的ClassⅤ級閥座泄漏標準。密封失效是此類閥門最常見的失效形式之一，而決定一對密封副密封性的重要因素是比壓、不平度和壓差。在壓差和加工精度確定的情況下，密封性能在很大程度上取決于密封面上的密封比壓（密封面上單位面積上的壓力）。影響球閥主密封結構密封比壓的參數主要有密封寬度、壓力角、壓差、預緊力等。如果這些參數設計不當，會出現碟簧過載，啟閉扭矩過大，導致閥座及球體表面涂層應力集中，從而產生裂紋，甚至剝落，高溫時形成球體“卡死”的現象。在實際計算過程中，金屬硬密封球閥的比壓計算采用近似公式。
由于該公式在計算時采用密封面平均直徑得出平均密封比壓，因此不能準確反映密封副上的密封比壓分布；若用數學分析方法獲得密封面上的理論值，計算程序復雜而且結果不精確。目前，各類高校及科研院所對閥門密封性開展了大量研究，針對球閥軟密封的有限元分析已趨于成熟，而對于硬密封球閥的密封性能報道甚少，特別是采用有限元分析方法進行球閥主密封結構優化設計鮮有報道。
鑒于此，本文以硬密封球閥典型進口端密封結構為研究對象，建立主密封結構的有限元模型，并結合密封比壓的評價模型采用大型通用非線性分析軟件ABAQUS作為求解工具，重點研究硬密封球閥的密封比壓與各參數之間的關系，進而建立不同密封結構設計參數的模型，揭示密封結構的密封寬度、壓力角、DMP/DJH等影響因素對密封的影響，以期得到密封與啟閉扭矩的平衡參數，完善硬密封閥門的設計理論與方法。
1 密封性能評價模型
選擇合適的密封比壓是保證閥門密封、壽命和結構緊湊的關鍵因素。當球閥在預緊狀態下球體相對閥座轉動時，密封副之間由于切向應力產生摩擦磨損。目前研究表明，金屬材料摩擦副之間的摩擦磨損率隨著載荷的增加有一個臨界載荷，即在臨界載荷下，磨損率較小，而大于臨界載荷，磨損率迅速增大，產生比較嚴重的磨損。因此，為避免鎖渣閥在頻繁地啟閉過程中出現嚴重的摩擦磨損，密封面的比壓必須盡量小，但又要保證足夠密封。因此，閥門的密封比壓必須滿足以下條件：
（1）其中：qb為保證密封必需比壓，單位MPa；q為實際比壓，單位MPa；［q］為密封面材料的許用比壓，單位MPa。根據不同的密封面寬度、壓力及材料進行試驗，得到當密封面材料為鋼或是硬質合金時的球閥必需比壓經驗公式可表示為：
（2）其中：h2為密封面徑向投影寬度，單位cm；m為與流體性質有關的系數，常溫水m＝1，高溫液體、氣體m＝1.4；p為介質壓力，單位MPa；qb為密封必需比壓，單位MPa。
本文中，當p＝15MPa、h2＝5mm（設計值）時，必需比壓按式（2）計算得到qb＝32MPa，而［q］＝150MPa。
關鍵詞： 全焊接球閥
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